Першы цукар, знойдзены паміж зоркамі, — гэта хімія, а не жыццё

Цукар у радыёспектры

Ёсць версія гэтай гісторыі, якая амаль піша сябе сама: навукоўцы знайшлі цукар у космасе, значыць, інгрэдыенты жыцця паўсюль. Гэта спакусліва — і занадта паспешліва.

Сапраўдны вынік чысцейшы і цікавейшы. У новым артыкуле ў Nature Astronomy Izaskun Jimenez-Serra, Juan Garcia de la Concepcion, Herma Cuppen і іх калегі паведамляюць пра выяўленне эрытрулозы ў міжзоркавым асяроддзі. Эрытрулоза — чатырохвугляродная кетоза: сапраўдны цукар, хіральны, хімічна рэлевантны для прэбіятычных шляхоў і дастаткова малы, каб яго можна было шукаць па вярчальным спектры.

Сігнал прыходзіць ад G+0.693−0.027 — малекулярнага воблака каля Галактычнага цэнтра, прыкладна ў 8,2 кілапарсека. Каманда выкарыстала шырокапалосныя і вельмі адчувальныя радыёагляды тэлескопаў Yebes 40 m і IRAM 30 m, якія разам ахапілі больш за 91 GHz у атмасферных вокнах 7 mm, 3 mm і 2 mm. Даследчыкі супаставілі набор назіраных радыёліній з лабараторнымі данымі вярчальнай спектраскапіі эрытрулозы, змадэлявалі выпраменьванне, а затым праверылі, ці здольная хімія міжзоркавага лёду ўтвараць яе ў дастатковай колькасці.

Менавіта гэта і з’яўляецца важным сцвярджэннем: сапраўдная малекула цукру можа фарміравацца і захоўвацца ў халодным міжзоркавым асяроддзі дастаткова добра, каб яе можна было выявіць з Зямлі. Сцвярджэнне не ў тым, што астраномы знайшлі жыццё, RNA або лыжку цукру, якая плавае паміж зоркамі.

Што зрабілі аўтары

• Выкарысталі шырокапалосныя радыёспектры малекулярнага воблака G+0.693−0.027 каля Галактычнага цэнтра, атрыманыя тэлескопамі Yebes 40 m і IRAM 30 m.
• Шукалі эрытрулозу з дапамогай новых лабараторных даных вярчальнай спектраскапіі, без якіх надзейна ідэнтыфікаваць астранамічныя лініі было б немагчыма.
• Мадэлявалі спектры з дапамогай MADCUBA-SLIM ва ўмовах лакальнай тэрмадынамічнай раўнавагі, улічваючы больш за 180 ужо ідэнтыфікаваных малекулярных відаў у тым жа насычаным лініямі воблаку.
• Засяродзілі падгонку на самых яркіх і найменш перакрытых прыкметах эрытрулозы.
• Параўналі эрытрулозу з роднаснымі малекуламі: глікалальдэгідам, этыленгліколем, гліцэральдэгідам, дыгідраксіацэтонам і гліцэрынам.
• Пабудавалі квантава-хімічныя і кінетычныя Monte Carlo-мадэлі таго, як эрытрулоза магла б утварацца на ледзяных міжзоркавых пылавых зярнятах.

Што яны выявілі

• Шматлінейнае выяўленне. Артыкул ідэнтыфікуе 12 набораў ліній эрытрулозы, якія адпавядаюць 17 асобным пераходам. Шэсць з гэтых набораў, гэта значыць дзевяць асобных пераходаў, класіфікаваныя як пераважна неперакрытыя, з рэшткавым забруджваннем не больш за 25%.
• Халодная і слабая малекула. LTE-падгонка дае тэмпературу ўзбуджэння $11.3 \pm 1.8$ K і слупковую шчыльнасць $(8.7 \pm 0.8) \times 10^{13}$ cm⁻² пры цэнтральнай хуткасці 69 km/s і шырыні лініі 22 km/s.
• Невялікая, але вымяральная распаўсюджанасць. Атрыманая адносная доля эрытрулозы складае $(6.4 \pm 0.6) \times 10^{-10}$ адносна H₂.
• Больш кароткіх цукраў не відаць. Аналагічныя трохвугляродныя цукры — гліцэральдэгід і дыгідраксіацэтон — не выяўлены; іх верхнія межы складаюць ≤$4 \times 10^{-11}$ і ≤$7 \times 10^{-11}$. Такім чынам, у гэтай крыніцы эрытрулоза, відаць, як мінімум у 8–17 разоў больш распаўсюджаная за гэтыя C3-цукры.
• Аргумент супраць выпадковага супадзення сфармуляваны наўпрост. Для шасці найменш перакрытых прыкмет аўтары ацэньваюць імавернасць выпадковага супадзення ліній у 0,2%. Нават калі выкарыстоўваць толькі тры або чатыры неперакрытыя лініі, яны паведамляюць узроўні ўпэўненасці 95,2% і 98,3%.
• Існуе праўдападобны хімічны шлях. У мадэлі эрытрулоза ўтвараецца на аморфным вадзяным лёдзе з дзвюх меншых C2-малекул, ужо распаўсюджаных у воблаку: глікалальдэгіду і этыленгліколю. Найбольш блізкія сімуляцыі ўзнаўляюць метанол, глікалальдэгід, этыленгліколь і эрытрулозу ў межах прыкладна пяціразовай розніцы, хоць і завышаюць колькасць невыяўленых C3-цукраў прыкладна ў 25–70 разоў.

Чаму гэта не проста «цукар у космасе»

Раней астранамічныя загалоўкі часам называлі глікалальдэгід «самым простым цукрам». Ён хімічна роднасны цукрам і важны для прэбіятычнай хіміі, але артыкул асцярожна праводзіць мяжу: глікалальдэгід — гідраксіальдэгід, а не сапраўдны сахарыд. Эрытрулоза іншая. Гэта монасахарыд, кетоза, і аўтары апісваюць яе як першы цукар, пра які паведамлена ў міжзоркавым асяроддзі.

Гэта важна, бо сцэнарыі паходжання жыцця часта вымушаныя меркаваць наяўнасць цукраў як зыходнай сыравіны. Рыбозу і глюкозу ўжо знаходзілі ў метэарытах і ва ўзорах астэроіда Bennu, што дапускае магчымае пазаземнае паходжанне часткі «запасу» цукраў. Але выявіць роднасную цукрам малекулу ў метэарыце — не тое самае, што знайсці сапраўдны цукар у газе і пыле паміж зоркамі. Гэтая праца адсоўвае ланцужок яшчэ на адзін крок назад: да бацькоўскіх целаў, да метэарытаў, да планет.

Вынік таксама хімічна дзіўны ў карысным сэнсе. Звычайна, калі члены міжзоркавага хімічнага сямейства павялічваюцца па колькасці атамаў вугляроду, іх колькасць рэзка падае. Тут чатырохвугляродны цукар выяўлены, а аналагічныя трохвугляродныя — не. Аўтары мяркуюць, што шляхі разбурэння і ўтварэння на ледзяных зярнятах могуць рабіць эрытрулозу параўнальна спрыяльнай менавіта ў гэтым асяроддзі.

Чаго гэта не даказвае

• Гэта не паказвае жыццё ў космасе. Малекула цукру — прэбіятычная хімія, а не біялогія.
• Гэта не паказвае рыбозу, RNA або DNA. Эрытрулоза можа ізамерызавацца ў роднасныя альдозы ў водным асяроддзі і ўдзельнічаць у прэбіятычных шляхах, але яна не з’яўляецца цукровым каркасам RNA.
• Гэта не паказвае біялагічную хіральнасць. Эрытрулоза хіральная, але радыёвыяўленне ідэнтыфікуе малекулу; яно не вымярае энантыямерны лішак і не паказвае, што адна «рука» малекулы пераважае.
• Гэта не даказвае, што гэтая малекула трапіла на раннюю Зямлю. Артыкул абмяркоўвае магчымую дастаўку малымі целамі, але гэта экстрапаляцыя з распаўсюджанасці, хіміі метэарытаў і гісторыі Сонечнай сістэмы.
• Гэта не азначае, што праблема «паходжання жыцця» вырашана. Пастаўка аднаго класа малекул — не тое самае, што сабраць метабалізм, рэплікацыю або клеткі.
• Гэта не ліквідуе нявызначанасць у задачы ідэнтыфікацыі. Доказы моцныя, але крыніца вельмі насычаная спектральнымі лініямі, і артыкул надае шмат увагі іх перакрыццю менавіта таму, што там могуць узнікаць ілжывыя ідэнтыфікацыі.
• Гэта не ператварае ацэнку дастаўкі ў вымярэнне. Аўтары ацэньваюць, што падчас Late Heavy Bombardment на раннюю Зямлю магло трапіць прыкладна (0,5–50) × $10^{9}$ kg эрытрулозы, але гэтая лічба залежыць ад некалькіх дапушчэнняў, а сам сцэнарый позняй цяжкай бамбардзіроўкі, як адзначаюць аўтары, ставіўся пад сумнеў.

Наколькі моцныя доказы?

Выяўленне не трымаецца на адной спектральнай лініі, да якой дадалі гісторыю. Яно абапіраецца на лабараторную спектраскапію, шырокі радыёагляд, некалькі пераходаў на правільных частотах і хуткасцях, колькасную мадэль ліній і яўны аналіз перакрыцця. Шэсць пераважна неперакрытых прыкмет — ядро аргумента; іншыя лініі і глабальная падгонка дадаюць узгодненасці. Для складанага малекулярнага воблака гэта сур’ёзная стратэгія выяўлення.

Больш слабая частка — не сама ідэнтыфікацыя, а шырокая інтэрпрэтацыя адносна паходжання жыцця. Хімічная мадэль паказвае, што эрытрулоза праўдападобна можа ўтварацца на ледзяных зярнятах з меншых малекул і што назіраная колькасць у цэлым ляжыць у правільным дыяпазоне. Але мадэль усё яшчэ завышае колькасць некаторых невыяўленых C3-цукраў і не прасочвае поўны шлях ад міжзоркавага лёду да рэакцыйнай сеткі ранняй Зямлі. Мост ад «гэтая малекула існуе ў космасе» да «яна дапамагла жыццю пачацца» праўдападобны, але не даказаны.

Такім чынам, чысты статус такі: моцнае астрыхімічнае выяўленне; праўдападобная хімія ўтварэння; спекулятыўнае біялагічнае значэнне.

Чаму гэта важна

У прэбіятычнай хіміі ёсць праблема пастаўкі. Некаторыя малекулы, патрэбныя сцэнарыям паходжання жыцця, няпроста атрымаць у карысных колькасцях пры простых умовах ранняй Зямлі. Адзін спосаб аслабіць гэтую праблему — знешняя дастаўка: каметы, астэроіды і метэарыты прыносяць малекулы, сфарміраваныя раней, у больш халодных і дзіўных асяроддзях.

Гэты артыкул дае такой ідэі больш ясную крыніцу яшчэ вышэй па ланцужку. Ён паказвае, што прынамсі адзін сапраўдны цукар можа ўтварацца ўжо ў міжзоркавым асяроддзі, да таго як рэчыва будзе замкнёнае ў малых целах. Гэта не робіць жыццё непазбежным. Але робіць зыходны хімічны набор менш «зямным»: частка рэлевантнай хіміі можа пачынацца яшчэ да з’яўлення планет.

Найлепшая версія гісторыі — не «інгрэдыенты жыцця паўсюль». Яна вузейшая: халоднае малекулярнае воблака каля Галактычнага цэнтра ўтрымлівае выяўляльны хіральны цукар, а хімія, якая яго стварае, можа працаваць на ледзяных пылавых зярнятах. Гэтага ўжо дастаткова.

Коратка

Астраномы паведамляюць пра першае выяўленне сапраўднай малекулы цукру ў міжзоркавым асяроддзі: эрытрулозы, хіральнай чатырохвугляроднай кетозы, у воблаку G+0.693−0.027 каля Галактычнага цэнтра. Доказы заснаваныя на мностве радыёпераходаў, назіраных тэлескопамі Yebes 40 m і IRAM 30 m, супастаўленых з лабараторнымі спектральнымі данымі і падтрыманых мадэллю ўтварэння на ледзяных пылавых зярнятах. Вынік важны, бо паказвае, што адзін тып прэбіятычнай цукровай хіміі можа адбывацца яшчэ да фарміравання планет і метэарытаў. Гэта не жыццё, не рыбоза, не RNA і не доказ таго, што такія малекулы засеялі біялогію на Зямлі. Гэта моцнае астрыхімічнае выяўленне з асцярожнай, абмежаванай высновай: космас можа ствараць большую частку прэбіятычнага набору, чым мы ведалі раней.